基于EtherCAT總線技術的鏈式STATCOM控制系統

蔡林海，蔣曉春，趙國亮，周飛，荊平，陳國富

(中國電力科學研究院，北京市 100192)

0 引言

靜止同步補償器(static synchronous compensator， STATCOM)是按照調相機的原理，采用新一代的電力電子器件和現代控制技術，在系統故障或負荷突增時，能動態提供無功電壓支撐，防止系統發生電壓崩潰，減少因低電壓而釋放的負荷數量，同時在提高線路輸送能力、阻尼功率振蕩、增強系統穩定性等方面具有優越性能的目前最有效的動態無功補償裝置［1-2］。STATCOM作為新型有源無功補償裝置，具有補償響應速度快、調節范圍廣、受系統特性影響較小、占地面積較小、接入系統無諧振等各項優點［3-10］。

實時工業以太網EtherCAT是一種實時總線技術［11］，具備靈活的網絡拓撲結構，系統配置簡單，具有高速、高有效數據率等特點，其有效數據率可達90%以上，全雙工特性完全得以利用，傳輸速率為100 Mbps，并且可以實現精確的同步［12］。

本文對鏈式STATCOM的控制系統進行了研究，在CAN網總線的基礎上提出了基于工業以太網EtherCAT總線的控制系統。

1 鏈式STATCOM主電路結構

鏈式STATCOM主電路拓撲結構如圖1所示。該拓撲采用星形接線方式，每相由n個結構相同的H橋鏈節級聯構成，圖中:usA、usB、usC為所在系統的交流電壓;ifa、ifb、ifc分別為STATCOM輸出的電流;iLa、iLb、iLc分別為STATCOM所在系統的負載電流;Lfa、Lfb、Lfc為系統連接電抗器。

圖1 STATCOM主電路拓撲Fig.1Main circuit structure of STATCOM

2 EtherCAT通訊方式

EtherCAT系統是一種主從通信系統，整個系統由主站與從站構成，從站通過EtherCAT總線與主站相連，整個系統的通訊由主站進行控制。圖2(a)所示結構為EtherCAT的串行通訊方式，所有從站按順序排列于主站之后，各從站之間分別通過光纖連接，主站和從站之間通過低壓差分信號(low-voltage differential signaling，LVDS)總線連接。圖2(b)所示結構為EtherCAT的星形通訊方式，所有從站均通過光纖接到耦合器上，各耦合器之間是串型結構，通過LVDS總線連接。串型連接方式的缺點是當中間的從站，例如從站2故障時，從站2后面的所有從站都無法正常通訊。星型連接方式正好可解決此問題，由于耦合器之間通過LVDS總線連接，因此耦合器具有很高的可靠性，一般不會出故障。當從站2故障時，EtherCAT主站會將從站2甩出網絡，后面的從站不會受到影響。但星型連接方式比串型連接方式多了耦合器，結構相對復雜，成本要高。

圖2 EtherCAT的通訊方式Fig.2Communication mode of EtherCAT

3 基于EtherCAT總線的控制系統設計

基于工業以太網EtherCAT總線技術設計的鏈式STATCOM控制系統如圖3所示，一共有2個EtherCAT總線網，主控網和模塊網。

主控網采用串型通訊方式，從站分別為:數據采集單元、開入開出單元、調節保護單元和暫態故障記錄單元。主控網的所有從站通過背板連接的方式經LVDS串型連接到EtherCAT網上。

模塊網采用星型通訊方式，所有從站經耦合器引出。耦合器經背板LVDS信號線連接到EtherCAT網上。所有從站都處于機箱外，經光纖連接到耦合器上。從站分別為:調節保護單元、暫態故障記錄單元、模塊1、模塊2、…、模塊n。

圖3 基于EtherCAT的鏈式STATCOM控制系統Fig.3Chain STATCOM control system based on EtherCAT

EtherCAT主站用于實現EtherCAT數據幀的控制發送、故障診斷定位等，并可以通過與筆記本相連，實現EtherCAT組網的UML配置文件下載。EtherCAT主站由數字信號處理器TMS320F28335和以太網模塊NM7010B+組成，NM7010B+負責EtherCAT報文的發送和接收，TMS320F28335負責通訊的維護、故障診斷以及與筆記本通訊。

數據采集單元將采集到的電壓、電流信號通過EtherCAT總線傳送至調節保護單元和暫態故障記錄單元。數據采集單元包含用于采集電壓信號的電壓互感器、用于采集電流信號的電流互感器、采樣保持回路、A/D轉換器等等。

開入開出單元采用復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)，輸入輸出部分用光耦隔離，開關量輸出單元出口驅動繼電器。開入部分將經消抖后的開關量輸入信號通過EtherCAT總線送至調節保護單元，同時送至暫態故障記錄單元記錄數據。開關量輸入信號包括斷路器和隔離刀閘的輔助節點信號、投入退出按鈕信號、熔斷器狀態信號、溫控器節點信號等。開關量輸出信號由調節保護單元通過EtherCAT總線送至開入開出單元的開出部分。開關量輸出信號包括斷路器的動作信號、運行故障指示燈信號、報警信號等。

調節保護單元采用數字信號處理器TMS320F28335作為運算單元，有2個EtherCAT從站，分別隸屬于主控網和模塊網。隸屬于主控網的EtherCAT從站接收數據采集單元和開入開出單元的數據，進行數據計算。通過隸屬于模塊網的EtherCAT從站將計算結果送到n個模塊中。所有模塊的電壓電流數據和狀態信息再通過模塊網回送至調節保護單元，同時送至暫態故障記錄單元記錄數據。

暫態故障記錄單元也采用數字信號處理器TMS320F28335，從2個EtherCAT總線網中收集需要記錄的數據，以備查看和分析。

n個模塊單元均采用數字信號處理器TMS320F28335作為運算單元，通過EtherCAT模塊網接收調節保護單元的控制命令，生成同步脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)脈沖觸發信號，送至模塊閥體的驅動器中。EtherCAT從站具有時鐘同步功能，各從站同步時鐘誤差小于20 ns，可同步PWM脈沖觸發信號。閥控系統的采集信號包括各模塊單元中閥體的直流母線電壓信號、閥體電流信號、閥體故障狀態信號和溫度信號等，當上述信號超過閾值時，則啟動故障保護、封鎖PWM脈沖，并將產生的故障信號通過EtherCAT模塊網上報至調節保護單元，調節保護單元再根據故障信號啟動該控制裝置的保護動作，控制模塊閥體中的驅動器實現對絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)閥的驅動和保護。

上述2個EtherCAT總線網中所有信號的傳輸在1個EtherCAT周期中即可完成。本控制系統的EtherCAT周期是78 us(頻率12.8 kHz)。

4 實驗驗證

將基于工業以太網EtherCAT總線技術設計的鏈式STATCOM控制系統應用于10 kV/3.5 MVA STATCOM工業樣機，其主要參數如表1所示。

表1 靜止同步補償器工業樣機的主要參數Tab.1Main parameters of STATCOM industrial prototype

經暫態故障記錄單元記錄的試驗波形如圖4所示。圖4(a)所示為STATCOM裝置啟動時刻所有閥體直流電壓穩壓波形，從圖中可看出裝置啟動后所有閥體直流電壓均穩定在1 000 V左右，具有良好的穩壓性能;圖4(b)、(c)所示為裝置運行時的無功補償波形，分別為A相電流和A相電壓，電流為200 A的容性電流(波形經過反向)。通過實驗驗證該控制系統具有良好的控制性能。

圖4 實驗波形Fig.4Experiment waveform

5 結語

控制系統采用的EtherCAT總線技術，傳送速率為100 M，可實現報文硬件校驗，且無信息沖突; EtherCAT報文與從站交互數據的過程只有幾ns的時間延遲;且具有時鐘同步功能，各從站同步時鐘誤差小于20 ns，因此可實現各模塊閥體控制的一致性。本控制系統擴展靈活，當需要增加模塊數時，可通過耦合器引出的方式實現級聯;配置靈活，可以在配置界面上對從站的數量、種類，數據交換的站點、個數、類型等信息進行在線配置。基于上述特點，本控制系統具有極強的通用性，可應用于半控型器件和全控型器件的裝置。

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(編輯:蔣毅恒)